復旦大学は、室温で電気化学的に充放電でき、700サイクル安定して動作し、高い安全性と低コストを実現した新型のカルシウム酸素電池を開発した。この電池は、復丹大学繊維電子材料デバイス研究所、高分子科学部、先進材料研究所、高分子分子工学国家重点研究所の彭恵生・王熙傑チームと、王永剛氏、周浩深氏、陸軍氏などの共同研究者らによって研究された。
2024 年 2 月 7 日、関連する結果は、「室温で動作する充電式カルシウム酸素電池」というタイトルで、Nature 誌の主要誌にオンラインで掲載されました。
報告によれば、金属カルシウムを用いた電池の中で、カルシウム酸素電池は理論エネルギー密度が最も高いが、室温で安定して充放電することができなかった。
主な問題と課題は次のとおりです。カルシウム金属負極は電気化学的活性が高いため、電解質が容易に還元および分解され、電極表面に不動態層が形成され、カルシウム金属負極が無効になる可能性があります。
同時に、空気陰極は電極電位が高いため、電解質の酸化と分解が起こりやすく、陰極の電気化学的性能が急速に低下します。
カルシウム金属負極に適合し、高電極電位の空気正極に適応できる電解質を見つけることは依然として困難であり、これがカルシウム酸素電池の開発を大きく制限している。
この課題に対処するために、復旦大学のチームは、溶媒、電解質塩、電解質比の系統的な設計により、ジメチルスルホキシド/イオン液体をベースにした新しい電解質の調製に成功し、電池の正極と負極の高い要件を効果的に満たし、室温で動作可能な新しいカルシウム酸素電池を構築した。
この新しいタイプのカルシウム酸素電池は、主に金属カルシウム負極、カーボンナノチューブ空気正極、有機電解質の3つの部分で構成されています。
パフォーマンスとコストを最適化するだけでなく、環境の持続可能性とフレキシブル電子デバイスのアプリケーション要件も考慮します。
その中でも、金属カルシウム負極はコストが低いだけでなく、理論容量も高く、電池全体のより高いエネルギー密度の達成に役立ちます。
同時に、金属カルシウムをフレキシブル基板上にさらに担持してフレキシブルな金属カルシウム負極を得ることができ、フレキシブルなカルシウム酸素電池実現の基礎を築くことができる。
電解液はジメチルスルホキシド/イオン液体系をベースにしており、室温で高いイオン伝導率を示すだけでなく、安定した電気化学的特性も示し、バッテリー全体の安全性を大幅に向上させます。
正極材料には、より環境に優しい炭素材料が使用されており、高価な貴金属触媒を含まず、反応物質として空気中の酸素を使用するため、電池製造コストの削減に役立ちます。
この新しいカルシウム酸素電池は、室温で可逆的な放電生成物の生成と分解を実現し、充放電サイクル寿命は最大 700 回です。
これをもとに研究チームは、柔軟性と安全性の両方を兼ね備えたカルシウム酸素電池の構築にも成功し、フレキシブル電池の開発に新たなアイデアを提供した。
金属カルシウムは、酸化還元電位が低く、多価であるという特徴を持っています。我が国の豊富なカルシウム資源と組み合わせることで、金属カルシウムをベースとした電池システムは、将来のエネルギー用途において幅広い展望を持っています。